JP2015104713A - 嫌気性消化装置およびこれに用いる熱交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、近年においては、これら有機性汚泥を資源として積極的に利用することの重要性が認識されている。
有機性汚泥処理プロセスを嫌気条件下で行う嫌気性処理では、有機性汚泥がメタン菌等の古細菌による分解を受けて、メタンガスを含む消化ガスが生成される。このメタンガス等の消化ガスは、そのまま大気中に放出されれば、温室効果に与える影響が大きいが、効率よく生成し、回収することで、貴重な熱源として有効利用できるバイオガスである。
このように、クリーンエネルギーへの変換が可能なメタンガスを含む消化ガスを生成できる有機性汚泥の嫌気性処理では、昨今のエネルギー利用と環境配慮に係る事情を考慮すると、嫌気性処理に要するエネルギーを可能な限り少なくすると同時に、熱エネルギー源となるメタンガスを含む消化ガスを可能な限り多く回収できるように、エネルギー収支の向上が特に重要となっている。このため、既存の有機性汚泥処理方式に対して、より安定化した効率のよいエネルギー変換を行うための改善や改良が行われることで、有機性汚泥処理プロセスから発生する、従来廃棄されていた熱エネルギーの有効利用による、装置全体としてのエネルギー回収率の向上などが図られている。
この汚泥消化制御装置は、上部と中間部に著しい温度差を生じ、汚泥の消化発酵が適切に行われないことで、エネルギー変換効率が低下するという不都合を解決するために、汚泥投入ポンプから投入された汚泥を処理する卵形消化タンク内の上部の汚泥温度と中間部の汚泥温度の差に基づき、汚泥投入ポンプと消化タンクとの間に設置された熱交換器によって、投入前の汚泥を加熱することで、消化タンク内の上部温度と中間部温度の均一化を図るものである。また、上記の汚泥温度の差に基づき、投入後の汚泥を撹拌することで、消化タンク内の上部温度と中間部温度の均一化を図るものである。
特許文献2および3に記載された汚泥消化装置は、いずれも、汚泥消化槽内の汚泥の撹拌を目的として汚泥消化槽の内外に延在させた汚泥の循環経路のうち、汚泥消化槽外のU字状管の屈曲部分に、汚泥を循環させるためのスクリューポンプを配設し、その近傍に、循環経路内の汚泥を加熱する熱交換器を備えたものである。特許文献2の熱交換器は、伝熱管に汚泥を通し、この伝熱管を外側から蒸気で加熱して熱交換を行う構成を有している。また、特許文献3の熱交換器は、汚泥を通す内管と、この内管の外側に配され、汚泥の流れと反対向き(向流)に熱媒体を通す外管からなる二重管構造を有している。
特許文献1に開示された、汚泥消化制御装置を備えた嫌気性消化装置には、以下の課題がある。
(1)消化タンクの上部温度と中部温度を検出する温度検出器が必要であり、温度検出器および付帯設備ならびにその維持管理にコストがかかる。
(2)投入される汚泥の加温や消化タンク内の撹拌機の回転数の制御を適切に行うためには、消化タンク内の上部および中部を代表する温度の測定に適した場所に温度検出器を設置する必要がある。さらに、夏季と冬季における外気温の変化による消化タンク内外の熱移動に及ぼす影響に配慮すると、温度検出器の設置場所を変える必要もある。この場合、嫌気性消化装置の運転開始条件を設定する作業が煩雑となる。また、温度検出器を設置した箇所が適切でない場合、投入される汚泥の加温や消化タンク内の撹拌機の回転数の制御を適切に行うことができなくなるため、消化タンク内の汚泥の温度や質を均一に保つことができず、消化反応を効率よく進行させることができない可能性がある。
(3)消化タンク内の汚泥を加温する設備の他に投入する汚泥を事前に加温するための設備が別途必要となり、その設備およびその維持管理にコストがかかる。
(4)投入する汚泥の事前加温や消化タンク内の撹拌機の回転数制御を行うための制御設備が必要となり、その設備およびその維持管理にコストがかかる。
(5)汚泥消化槽の汚泥を加熱するために必要な熱交換器の伝熱面を、循環経路上で、確保しなければならない。循環経路は通常、管路であり、その外周長×管路長が伝熱面積であることから、加温に必要な長さの外管付設箇所が嫌気性消化槽の外部において確保が困難な場合、不必要な循環経路を延長する構成(特許文献2および3のU字管)や、嫌気性消化槽内の循環経路部分に外管付設箇所を設ける構成(特許文献4のドラフトチューブ内の外管)を採用することとなる。
(6)循環経路の延長ができない場合、熱交換器の伝熱面積を小さい(配管ならば短い)状態で必要温度まで加熱するのに、伝熱効率の高い熱媒体(例えば、水蒸気など)を用意することも可能であるが、そのためには、別途、熱媒体の供給が必要となる。
(7)特許文献2および3に開示されたような、従来の熱交換器の伝熱部は、コンパクトなサイズで高効率の熱交換を行うために、伝熱壁の比表面積(熱交換器の被加熱媒体(汚泥)流路の単位容積に対する伝熱壁面積の割合)を大きくとれる狭い流路で構成されている。しかし、一般に狭い流路は圧力損失が大きいので、大流量での利用は困難であり、低流量での熱交換となる。そのため、所定の熱量を供給するためには少ない流量の汚泥を大きく昇温しなければならず、汚泥を変質させ、熱的損傷を与えてしまうことが懸念される。このような熱的損傷は、汚泥中のメタン菌等の古細菌の死滅あるいは失活につながり、消化槽内での嫌気性消化反応(メタン発酵)が進行しないか、あるいは、進行しにくくなる可能性がある。
(8)汚泥消化槽内部の循環経路やドラフトチューブに外管を設ける場合には、外管やこれに接続される熱媒体導入管および熱媒体導出管に接する汚泥消化槽内の汚泥も少なからず加温されることとなる。このため、汚泥消化槽内の汚泥温度が不均一となる原因となる。つまり、循環経路やドラフトチューブ内の汚泥流速と比較して、汚泥消化槽内の汚泥流速は小さいため、外管やこれに接続される熱媒体導入管および熱媒体導出管に接する汚泥消化槽内部の汚泥は、循環経路やドラフトチューブ内を流れる汚泥と比較して高温に加温され、温度の不均一を生じやすくなる。さらに、循環経路やドラフトチューブ内と異なり、能動的な加温の調整が行われないため、必要以上に汚泥が高温に曝され、汚泥の変質やそれに伴う汚泥消化機能の低下が懸念される。この場合も、汚泥中のメタン菌等の古細菌の死滅あるいは失活につながる熱的損傷によって、消化槽内での嫌気性消化反応(メタン発酵)が進行しないか、あるいは、進行しにくくなる可能性がある。
いずれの熱交換器においても、汚泥の流れが略直角方向に折れ曲がる経路を辿るため、汚泥が通過する際の圧力損失が大きくなる。このため、当該熱交換器が、例えば、消化槽内の汚泥を循環する目的で設置される循環管に設けられた場合、その汚泥の流れの勢いを弱めてしまうので、汚泥の循環流による撹拌能力を損なう結果となり、熱交換を行うことができたとしても、本来の目的である汚泥循環を効率よく行うことができない可能性があるという課題がある。
また、本発明は、被加熱媒体である汚泥の流れの勢いを弱めることなく、汚泥を円滑に流通させながら熱交換を行うことで、汚泥の昇温幅を抑制できる熱交換器を提供することを目的とするものである。
投入された原汚泥を嫌気性消化処理する嫌気性消化槽、
該嫌気性消化槽内で開口する吸引口と吐出口を有し、
前記嫌気性消化槽外に延在する循環管、
該循環管に設けられ、前記嫌気性消化槽内の混合汚泥を
移送する循環ポンプ、
および
前記循環管に設けられ、前記混合汚泥を加温する熱交換器、
を備えた嫌気性消化装置において、
前記熱交換器は、
混合汚泥が通過する外筒と、
該外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、
前記外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を
形成する供給側外覆部材と
を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体供給室とが連通している
ことを特徴とする。
前記外筒の他端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室を
形成する排出側外覆部材を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体排出室とが連通していることを特徴とする。
ことを特徴とする。
前記嫌気性消化槽外に配設されていることを特徴とする。
垂直方向に開口する吸引口が設けられた1つまたは2つ以上の吸引管と、
水平方向に開口する吐出口が設けられた1つまたは2つ以上の吐出管と
を備えていることを特徴とする。
汚泥が通過する外筒と、
該外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、
前記外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を
形成する供給側外覆部材と
を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体供給室とが連通している
ことを特徴とする。
形成する排出側外覆部材を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体排出室とが連通している
ことを特徴とする。
ことを特徴とする。
(1)嫌気性消化槽内で開口する吸引口と吐出口を有し、消化槽外に延在する循環管に設けられた熱交換器を、混合汚泥が通過する外筒と、この外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を形成する供給側外覆部材とを備え、熱交換部材と熱媒体供給室とを連通させた構成としたことにより、循環管内を流れる混合汚泥の流れの勢いを弱めることなく、複数の熱交換部材が設けられた外筒内に通過させることができるとともに、その外筒内を通過する混合汚泥を、熱媒体供給室から熱媒体が供給された熱交換部材に接触させることで、その混合汚泥に対して効率よく熱交換を行うことができる。そして、効率よく加温された混合汚泥は、循環ポンプの吐出力によって消化槽内の全体で循環するので、このような循環流によって、消化槽内の混合撹拌を十分に行うことができる。これにより、消化槽内の混合汚泥中の温度分布ムラを抑制できるので、消化槽内の混合汚泥の温度や質をほぼ均一に保つことができる。
この嫌気性消化装置について、混合汚泥の流れの勢いを弱めることなく、混合汚泥を円滑に流通させながら熱交換を行うことで、混合汚泥の昇温幅を抑えて混合汚泥に熱的損傷を与えずに加温できる上述の熱交換器を適用することにより、消化槽内の温度分布ムラを抑えることができる一方で、汚泥撹拌に必要な負荷(例えば、撹拌エネルギー)の増大を抑制することができる。この熱交換器の熱媒体の温度上昇に廃熱を有効利用すれば、従来よりも大幅に負荷を抑えてエネルギーを回収することが可能となる。
(2)また、上述の構成に加えて、外筒の他端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室を形成する排出側外覆部材を備え、熱交換部材と熱媒体排出室とを連通させた構成としたことにより、熱交換部材内への新たな熱媒体の供給が可能となるため、混合汚泥に対して、さらに効率よく熱交換を行うことができる。
(1)熱交換器を、汚泥が通過する外筒と、外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を形成する供給側外覆部材とを備え、熱交換部材と熱媒体供給室とを連通させた構成としたことにより、外筒を流れる汚泥の流れの勢いを弱めることなく、複数の熱交換部材が設けられた外筒内に通過させることができるとともに、その外筒内を通過する汚泥を、熱媒体供給室から熱媒体が供給された熱交換部材に接触させることで、その汚泥に対して効率よく熱交換を行うことができる。その熱交換に際しては、汚泥の流れの勢いを弱めることなく、汚泥を円滑に流通させることで、汚泥の昇温幅を抑えて加温することができる。このため、汚泥に熱的損傷を与えることを防止できる。
(2)また、上述の構成に加えて、外筒の他端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室を形成する排出側外覆部材を備え、熱交換部材と熱媒体排出室とを連通させた構成としたことにより、熱交換部材内への新たな熱媒体の供給が可能となるため、混合汚泥に対して、さらに効率よく熱交換を行うことができる。
図1は本発明の実施の形態1による嫌気性消化装置の全体構成を模式的に示す部分断面図であり、図2は図1に示した嫌気性消化装置の熱交換器の内部構造を拡大して示す断面図であり、図3は図2のIII−III断面図である。なお、図1および図2中の太い矢印は、汚泥の流れを示し、細い矢印は特に明示した場合を除き、熱媒体の流れを示すものとする。この点は、他の実施の形態において参照する図4乃至図7、図10および図13においても同様である。
循環管2の口径は、吸引口2aおよび吐出口2bを含め、全長にわたって同一寸法に設定されていることが望ましい。その口径寸法は、消化槽1で嫌気性処理される原汚泥の投入量(負荷)、単位時間当たりの混合汚泥の循環流量、循環する混合汚泥に対する熱交換の効率などを勘案して決められることが望ましい。
ここで、循環管2の吸引口2aおよび吐出口2bは、混合汚泥を循環管2内で吸引口2aから吐出口2bへ流すことを前提とした便宜上の表現であり、混合汚泥の流れが反対方向になれば、混合汚泥は吐出口2bから吸引され、吸引口2aから吐出されることになる。
なお、スクリュー30の回転軸30aの一端は、循環管2外に配設された駆動器31に連結されるため、その一端側の回転軸30aと循環管2との境界部分は、パッキン等の封止部材(図示せず)を用いた水密構造となっている。
ここで、熱交換器4における「供給側」とは、熱媒体を順方向で流すことを前提とした場合における熱交換器4内での熱媒体の供給側を指し、「排出側」とは、その順方向における熱交換器4内での熱媒体の排出側を指す。この点は、他の実施の形態でも同様である。
なお、熱交換器4の各構成部品は、いずれも、混合汚泥の熱媒体(温水)による希釈や熱的損傷につながる熱媒体の外筒41内への流入を防止するため、水密構造で連結されている。混合汚泥の希釈は、熱媒体(温水)の流入分だけ、混合汚泥の総量(負荷)が増加する一方で、メタン菌等の古細菌の濃度が低下し、消化反応の効率が低下するため、好ましくない。混合汚泥の熱的損傷は、混合汚泥中のメタン菌等の古細菌の死滅あるいは失活につながるため、好ましくない。熱交換器4の各構成部品の水密構造により、混合汚泥は、熱媒体と接触することなく、また熱交換器4から漏洩することなく、熱交換部材42の外側を常に流通することになる。
このような外筒41は、循環管2と同軸になるように、循環管2の分離部分に配設される。
熱媒体流通部42aは、熱媒体供給室43a内の熱媒体を、供給側外覆部材43の後述の供給側連通穴およびこれに接合した伝熱部42bの一端側の連通穴42cを介して熱媒体を受け入れ、伝熱部42bの他端側の連通穴42cおよびこれに接合した排出側外覆部材44の後述の排出側連通穴を介して、熱媒体排出室44aへ熱媒体を移行させる通路である。
伝熱部42bは、図3に示すように、外筒41の汚泥流通部41aの内周面に片固定され、且つ外筒41の内周面から半径方向内方に向けて延在している。伝熱部42bは、その外表面が、外筒41の汚泥流通部41a内を流れる混合汚泥の流れに並行となるように、配設されている。伝熱部42bの長さ方向の両端の両側面(接触面)は、いずれも傾斜面または曲面となっており、外筒41の汚泥流通部41a内を流れる混合汚泥の流れの方向がいずれの方向になったとしても、その混合汚泥の流れに対して抵抗(圧力損失)が少ない。また、伝熱部42bの長さ方向に交差する方向の両側面(接触面)は、いずれも傾斜面または曲面となっており、外筒41の汚泥流通部41aの中央側および内周面側を流れる混合汚泥の流れに対して抵抗(圧力損失)が少ない。
伝熱部42bが、前述したように混合汚泥の流れに対して接触面を傾斜または曲面形状となっていることに加え、外筒41に対して片固定となっていることによって、例えば、毛髪等の、熱交換部材42に絡みつきやすい形状の異物が混合汚泥中に混入している場合においても、汚泥や汚泥中の異物が引っ掛かるなどして付着・堆積する、いわゆる「汚泥詰まり」が生じにくい。また、伝熱部42bの一端側の連通穴42cと供給側外覆部材43の後述の供給側連通穴との接合部や伝熱部42bの一端側の連通穴42cと排出側外覆部材44の後述の排出側連通穴との接合部は、いわゆる「汚泥詰まり」が生じないよう、密接する形状とされている。また、定期的に循環管2内の汚泥流れを逆方向とすることで熱交換部材42に異物の付着・堆積を防止することができる。これにより、熱交換器4の清掃などのメンテナンスの実施頻度は少なくなり、嫌気性消化装置の稼働率が向上するため、原汚泥の処理、および消化ガスの発生効率が向上する。
なお、図3に示す熱交換部材42の配設数は24本であるが、これに限定されるものではない。熱交換部材42の配設数およびその間隔は、汚泥流通部41a内の汚泥の圧力損失をできるだけ小さくし、且つ熱交換に必要な伝熱部42bの熱交換面積(伝熱面積)をできるだけ広く確保できる点を勘案して決められることが望ましい。伝熱部42bの形成材料としては、熱伝導性、耐腐食性、寸法安定性などに優れた金属材料や熱伝導性樹脂材料が挙げられる。また、伝熱部42bの外表面は、汚泥流通部41a内の汚泥の流れをより円滑にするため、滑面処理されていることが望ましい。
また、外筒41内に熱交換部材42を配設する際には、熱交換部材42同士が外筒41の中心側において互いに接触しない程度に、且つ、汚泥流れを必要以上に妨げず圧力損失の増加や汚泥・異物による閉塞を起こさない程度に離間していることが重要である。
また、熱媒体供給室43aを形成する壁部のうち、二重円筒状壁部の内側の円筒状壁部内は、外筒41の汚泥流通部41aを通過した混合汚泥を循環管2内に送るための汚泥流通部43dとなっている。
このような構成の供給側外覆部材43の吐出口2b側の端部には、図1に示すように、略円筒状の第一接続部材45aが接続されており、この第一接続部材45aを介して、循環管2の分離部分の一方と連結することが可能である。第一接続部材45aの内部は、外筒41の汚泥流通部41a内を流れる混合汚泥を循環管2へ移行させる汚泥流通部45bとなっており、その内径は、供給側外覆部材43の汚泥流通部43dの内径、並びに、循環管2の口径と同一の寸法に設定されている。
また、熱媒体排出室44aを形成する壁部のうち、二重円筒状壁部の内側の円筒状壁部内は、循環管2を通過した混合汚泥を外筒41の汚泥流通部41a内に送るための汚泥流通部44dとなっている。
このような構成の排出側外覆部材44の吸引口2a側の端部には、図1に示すように、略円筒状の第二接続部材45cが接続されており、この第二接続部材45cを介して、循環管2の分離部分の他方と連結することが可能である。第二接続部材45cの内部は、循環管2内を流れる混合汚泥を外筒41の汚泥流通部41aへ移行させる汚泥流通部45dとなっており、その内径は、排出側外覆部材44の汚泥流通部44dの内径、並びに、循環管2の口径と同一の寸法に設定されている。
まず、図1および図2に示すように、供給側外覆部材43に第一接続部材45aを接続し、排出側外覆部材44に第二接続部材45cを接続する。その後、図3に示すように、外筒41の汚泥流通部41a内に複数の熱交換部材42を片固定状態で配設する。その後、外筒41の汚泥流通部41aに供給側外覆部材43の汚泥流通部43dおよび排出側外覆部材44の汚泥流通部44dを位置合わせした状態で、熱交換部材42の連通穴42cに供給側外覆部材43の供給側連通穴43bおよび排出側外覆部材44の排出側連通穴44bを連結して、熱交換器4を組み立てる。この組み立てられた熱交換器4の外筒41を、循環管2の分離部分の間に配設する。その後、循環管2の分離部分の一方に第一接続部材45aを連結し、分離部分の他方に第二接続部材45cを連結して、熱交換器4を循環管2に配設する。このような手順で、容易に、熱交換器4を循環管2に配設することが可能である。
また、例えば、熱交換器4のメンテナンス時または交換時において、上記組立手順とは逆の手順で、熱交換器4を循環管2から容易に取り外すことが可能である。
まず、図1に示すように、消化槽1内に原汚泥が投入される。
消化槽1内に導入された原汚泥は、嫌気性微生物(メタン菌等の古細菌)を主体とする消化槽1内の汚泥と混合され、この混合汚泥は、汚泥中の嫌気性微生物によって、数十日(例えば、30日から60日程度の時間)をかけて嫌気的に消化・分解され、一部は消化ガスとなり回収されて燃料として利用され、残りは消化汚泥となって排出口より消化槽1外へ排出されて処分される。この間、消化槽1内では、原汚泥など未消化部分を有する汚泥が嫌気性微生物による分解(嫌気性消化反応)が適切に、且つ安定して行われるよう、原汚泥の投入量(負荷)、温度、pHおよび混合撹拌など、嫌気性消化に影響を与える管理指標に基づいて運転管理が行われる。
スクリュー30の正転方向の回転によって、循環管2の吸引側部分に吸引力が生じ、吐出側部分に吐出力が生じる。吸引力および吐出力は、汚泥流れに勢いを付けることができる。循環ポンプ3の吸引力によって、消化槽1内の上部を流れる混合汚泥が取り込まれ、吸引口2aから循環管2の吸引側部分内に入り、循環ポンプ3を経て、循環管2の吐出側部分に配設された熱交換器4に送られる。熱交換器4内に入った混合汚泥は、第二接続部材45cの汚泥流通部45d、排出側外覆部材44の汚泥流通部44d、外筒41の汚泥流通部41a、供給側外覆部材43の汚泥流通部43d、および、第一接続部材45aの汚泥流通部45bを経て、再び、循環管2内に戻る。このとき、混合汚泥は、図1および図2に示すように、外筒41の汚泥流通部41a内の熱交換部材42の伝熱部42bに接触することで、その伝熱部42bを介して、熱媒体流通部42aを流れる向流の熱媒体との熱交換を受けて、所定の昇温幅となるように加温される。加温された混合汚泥は、図1に示すように、循環ポンプ3の吐出力によって、吐出口2bから消化槽1内の下部に吐出される。消化槽1内に吐出された混合汚泥は、循環ポンプ3の吐出力によって消化槽1内の全体で循環する。このような循環流によって、消化槽1内の混合汚泥に対する混合撹拌が行われるとともに、適温に管理される。
なお、例えば、熱交換器4のメンテナンス時などにおいて、スクリュー30を逆転方向に回転駆動させて、混合汚泥の流れを反対方向に変更する。このとき、循環管2の吸引側部分内に吐出力が生じ、吐出側部分に吸引力が生じるため、吐出口2bから消化槽1内の混合汚泥を循環管2内に取り込み、その取り込まれた混合汚泥を熱交換器4内に逆流させることで、熱交換器4の分解等を行うことなく、熱交換器4のメンテナンスを容易に行うことができる。
また、この実施の形態1では、同一の寸法および形状を有する複数の熱交換部材42を用いた場合について本発明を適用したが、これに限定されるものではなく、例えば、後述の図8、図11および図12に示すように、異なる寸法および形状を有する複数の熱交換部材42を用いてもよい。
また、この実施の形態1では、熱媒体供給室43aに熱媒体供給口43cを設け、熱媒体排出室44aに熱媒体排出口44cを設けた場合について本発明を適用したが、これに限定されるものではなく、例えば、後述の図4乃至図7、図9および図10に示すように、熱媒体供給室43aに熱媒体供給管を設け、熱媒体排出室44aに熱媒体排出管を設けてもよい。
また、この実施の形態1では、循環管2に吸引口2aと吐出口2bをそれぞれ1つ設けた場合について本発明を適用したが、吸引口2aと吐出口2bをそれぞれ2つ以上設けてもよい。この場合、2つ以上の吸引口2aと2つ以上の吐出口2bを消化槽1内の上部、中部および下部で開口するように構成することで、各吸引口2aに向けて混合汚泥の流れが生じ、各吐出口2bから混合汚泥の流れが生じるので、消化槽1内の混合汚泥中に様々な循環流を形成することができる。
(1)消化槽1内で開口する吸引口2aと吐出口2bを有し、消化槽1外に延在する循環管2に設けられた熱交換器4を、混合汚泥が通過する外筒41と、この外筒41内に複数設けられた中空の熱交換部材42と、外筒41の一端の周面(循環管2の吐出口2b側の端面)を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室43aを形成する供給側外覆部材43とを備え、熱交換部材42と熱媒体供給室43aとを連通させた構成としたことにより、循環管2内を流れる混合汚泥の流れを弱めることなく、複数の熱交換部材42が設けられた外筒41内に通過させることができるとともに、その外筒41内を通過する混合汚泥を、熱媒体供給室43aから熱媒体が供給された熱交換部材42に接触させることで、その混合汚泥に対して効率よく熱交換を行うことができる。そして、効率よく加温された混合汚泥は、循環ポンプ3の吐出力で、消化槽1内の全体で循環するので、このような循環流によって、消化槽1内の混合撹拌を十分に行うことができる。これにより、消化槽1内の混合汚泥中の温度分布ムラや薬品等の混合ムラを抑制できる。
(2)上述の構成に加えて、外筒41の他端の周面(循環管2の吸引口2a側の端面)を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室44aを形成する排出側外覆部材44を備え、熱交換部材42と熱媒体排出室44aとを連通させた構成としたことにより、熱交換部材42内への新たな熱媒体の供給が可能となるため、混合汚泥に対して、さらに効率よく熱交換を行うことができる。
(3)熱交換器4の外筒41内の汚泥流通部41aは、その口径が循環管2の口径より大きく、且つ循環管2と同軸になるように配設されている。また、直線状の汚泥流通部41aに至るまでの汚泥の流通経路は、直線状の第二接続部材45cの汚泥流通部45dおよび排出側外覆部材44の汚泥流通部44dによって確保され、汚泥流通部41aから循環管2へ戻る汚泥の流通経路は、直線状の供給側外覆部材43の汚泥流通部43dおよび第一接続部材45aの汚泥流通部45bによって確保されている。このため、混合汚泥が熱交換器4内を通過する際における混合汚泥に対する圧力損失は少ないので、循環ポンプ3によって得られた吐出力が減殺されず、その吐出力をほとんどそのまま、混合汚泥の吐出に利用することができる。したがって、少ない圧力損失で流れ、且つ加温された混合汚泥を吐出口2bから循環ポンプ3の吐出力によって吐出することで、消化槽1内の混合汚泥に良好な循環流を形成することができ、消化槽1内の混合汚泥中の温度分布ムラや薬品等の混合ムラを抑制できる。
(4)熱媒体が60℃〜80℃程度の温水であるため、この温水と熱交換した混合汚泥は、熱的損傷を受けることが少ない。このため、その混合汚泥中のメタン菌等の古細菌の死滅あるいは失活を防止できるので、メタン菌等の古細菌による嫌気性消化反応を効率よく進行させ、計画量の消化ガス(例えば、メタンガス)を得ることができる。
(5)従来の嫌気性消化装置に利用されている熱交換器によって、嫌気性消化槽内の温度よりも約3℃〜5℃程度の大幅な昇温幅で昇温された汚泥は、その温度上昇によって体積膨張し、比重が軽くなるため、嫌気性消化槽の上部にとどまり易くなる。このような汚泥の比較的大きな比重差は嫌気性消化槽内の上下方向の汚泥循環を阻害する要因となるため、嫌気性消化槽内に解消し難い温度分布が生じる。このため、従来の嫌気性消化槽内の撹拌装置、例えば一般的な撹拌羽根とドラフトチューブの組み合わせによる上下方向に循環流を形成して撹拌する形式のもの(例えば、特許文献4)においては、通常の汚泥循環に必要な動力に加えて、比重差による汚泥循環阻害要因を取り除くための動力が必要となる。また、従来の、水平方向に対して循環流を形成して撹拌する形式のものにおいては、水平循環するのみとなる可能性があり、その場合、消化槽内に形成される温度分布(例えば、上部分から下部分に向かって汚泥温度が低くなる)が保たれたままとなることから、その上下方向の温度分布を解消するために、別途、上下方向に循環流を形成する方策を講じる必要があった。
これに対し、この実施の形態1による嫌気性消化装置では、循環ポンプ3によって勢いよく循環管2内を流れる混合汚泥をその流れの勢いを弱めることなく外筒41内を通過させて、複数の熱交換部材42との接触で効率よく加温した上で、消化槽1内に勢いよく還流させ、消化槽1内の全体に行渡る循環流を形成することができる。このため、この嫌気性消化装置では、例えば、熱交換器4での汚泥の昇温幅を約0.5℃〜1℃と低く保ち、加温汚泥循環回数(循環経路で1日に加温した汚泥量が消化槽1を循環する回数)を多く設定する運転が可能であるので、消化槽1内の汚泥の温度や質を常にほぼ均一に保つことが容易となり、汚泥処理が安定化することで消化ガスの安定で効率的な回収を行うことができる。また、汚泥の昇温幅を約1℃以下に抑え、汚泥の比重差による消化槽1内での汚泥循環阻害を十分に低く抑えることが可能であるため、上下方向の汚泥循環において通常消費される循環ポンプ3の動力によって、消化槽1内の汚泥循環を良好に行うことができる。また、水平方向に対し循環流を形成して撹拌する場合においても、汚泥の昇温幅を約1℃以下に抑えることで、消化槽1内での温度分布が顕著とならないため、従来の嫌気性消化装置のように、別途、上下方向への循環流を形成する方策を講じる必要がない。このように熱交換器4での汚泥の昇温幅を約0.5℃〜1℃と低く保ち、消化槽1内において微生物相の「ムラ」を無くすことで、消化反応が消化槽1内の全体で均一に行われ、消化汚泥として排出される処理汚泥中の未消化汚泥の混入率が低下し、計画量の消化ガスを回収できる。
(6)汚泥の循環流路の圧力損失が高いために低流量となり、結果的に、加温汚泥循環回数が少ない運転を余儀なくされていた従来の間接加温式の熱交換器では、1回の循環で、汚泥を約3℃〜5℃程度の大幅な昇温幅で昇温する必要があったため、水蒸気ボイラや温水ボイラより供給される熱媒体を熱源としなければならなかった。このような高温(蒸気、温水共に100℃程度)の熱媒体の供給には、専用のボイラを設置する必要があり、特に消化槽のような大容量の設備を加温できる大型の水蒸気ボイラを設置する場合には、有資格者による管理が義務付けられている。
これに対し、この実施の形態1による嫌気性消化装置では、混合汚泥の昇温幅を約0.5℃〜1℃と低くし、且つ加温汚泥循環回数を多くする条件で昇温できるため、60℃〜80℃程度の温水を熱交換器4に供給する熱源として利用できる。また、60℃〜80℃程度の温水を熱源とし、1回の循環での混合汚泥の昇温幅を約0.5℃〜1℃に抑え、加温汚泥循環回数を多くする(熱交換器4内での汚泥滞留時間が短いために、結果として、熱交換時間が短い)ことにより、混合汚泥の熱による変質(例えば、熱的損傷)およびメタン菌等の古細菌の活性低下を抑制できるので、安定した汚泥の消化および計画量の消化ガス回収を図ることができる。また、大型の水蒸気ボイラを設置する必要がないので、有資格者による管理も不要である。
(7)循環管2内を流れる混合汚泥の流れの勢いを弱めることなく、混合汚泥を外筒41内に通過させて熱交換を行うことができる熱交換器4を用いている。このため、循環ポンプ3の他に、熱交換器専用の汚泥循環ポンプを設ける必要がないので、その分、ポンプ動力を削減できる。嫌気性消化装置全体における、ポンプ動力の動力消費に占める割合は極めて高いため、ポンプ動力の削減は格段の省エネルギーとなると共に、エネルギーの回収率を高めることに大きく寄与する。
(8)従来のスパイラル型(図16)や外筒パイプ型(図14および図15)の熱交換器は、熱交換器の被加熱媒体(汚泥)流通部単位容積当たりの伝熱壁面積を高める構造とすることで、1回の循環での被加熱媒体(汚泥)の昇温幅(熱交換前後の温度差)を高め、熱交換効率を高めていた。しかし、この場合、被加熱媒体(汚泥)の流路が狭く圧力損失が高くなるので、熱交換できる被加熱媒体(汚泥)は自ずと少流量(従来の消化槽汚泥の加温を目的とした場合であれば、例えば消化槽有効容積に対して1日当たり約0.5回程度の流量)とせざるを得なかった。このため、汚泥を循環する循環管に流れる、より大流量の汚泥(被加熱媒体)を加温する場合には、複数の熱交換器を並列に配列し、高楊程の循環ポンプを配設する必要があった。
これに対し、この実施の形態1による嫌気性消化装置では、汚泥が通過する外筒41を循環管2よりも大径としたので、熱交換器4内の圧力損失を低く保ちながら(従来の汚泥循環に用いられる循環ポンプの仕様を変更する必要がなくなる)、消化槽1内の汚泥温度を目標温度(例えば、メタン菌の至適温度)まで調節できる程度に十分な熱交換面積(伝熱面積)を提供することができる。これにより、消化槽1内の汚泥を循環する循環管2に流れる、従来の熱交換器と比較して大流量の汚泥によって消化槽1内の温度を調節することが可能であるため、循環する汚泥の昇温幅を約0.5℃〜1℃の範囲に抑えることができる。
図4は本発明の実施の形態2による嫌気性消化装置の全体構成を模式的に示す部分断面図であり、図5は図4に示した嫌気性消化装置を示す平面図であり、図6は図4および図5に示した嫌気性消化装置の熱交換器の外部構造を示す斜視図であり、図7は図6に示した熱交換器の内部構造の一部を破断して示す斜視図であり、図8は図4乃至図7に示した熱交換器内の熱交換部材の配置構成を示す斜視図であり、図9は図4乃至図8に示した熱交換器の分解斜視図であり、図10は図4乃至図9に示した熱交換器内での汚泥および熱媒体の流れの様子を模式的に示す斜視図であり、図1等と同一の構成要素には同一符号を付して重複説明を省略する。
(1)熱交換器4の供給側外覆部材43を、本体46aと供給側端フランジ46bと熱媒体供給管46cを備えた供給側外筒部材46と、供給側内筒部材47とから構成した点。
(2)熱交換器4の排出側外覆部材44を、本体48aと排出側端フランジ48bと熱媒体排出管48cを備えた排出側外筒部材48と、排出側内筒部材49とから構成した点。
(3)熱交換器4の外筒41の供給側の端部に外筒供給側端フランジ41bを備え、排出側の端部に外筒排出側端フランジ41cを備えた点。
(4)熱交換器4の熱媒体供給管46cへの熱媒体流路と熱媒体排出管48cからの熱媒体流路を切り替える開閉バルブV1、V2、V3およびV4を備えた流路切替器5を設けた点。
(5)循環管2の吐出側部分に、開閉バルブV5を設けた点。
(6)循環管2の吐出側部分のうち、熱交換器4と開閉バルブV5との間に、消化槽1内に開口する吐出口21aを有する分岐管21を設け、この分岐管21の途中に開閉バルブV6を設けた点。
(7)消化槽1の形状を断面亀甲形とし、その上部に、原汚泥を投入するための原汚泥投入管6と、混合汚泥から消化汚泥を脱離させて生じた分離液(脱離液)を排出するための脱離液流出管7を設けた点。
(8)消化槽1の底部に、消化汚泥を排出するための消化汚泥排出管8を設け、この消化汚泥排出管8の途中に開閉バルブV7を設けた点。
(9)熱交換部材42として、大小2種類の熱交換部材42x、42yを用いた点。
本体46aは、外筒41の外径より小さい寸法の外径を有しており、その内周面は、供給側外筒部材46と供給側内筒部材47との連結時に、熱媒体供給室43cを形成する壁部の一部となる。
供給側端フランジ46bは、外筒41の外筒供給側端フランジ41bとフランジ継手を行うための接合部である。
熱媒体供給管46cは、熱媒体供給設備(図示せず)からの熱媒体を熱供給室43a内に供給する。なお、熱媒体の流れを変更するときは、熱媒体供給管46cは、熱媒体の排出を行う。この熱媒体の流路の切替えは、図5に示す流路切替器5により行われる。
本体50aは、外筒41の汚泥流通部41aからの混合汚泥を循環管2内に円滑に送るため、循環管2の口径と同一寸法の内径を有している。
端フランジ50bは、第一接続部材45aのように、循環管2とフランジ継手を行うための接合部である。このため、上記本体50aの内部は、実質的に、実施の形態1における第一接続部材45aの汚泥流通部45bを構成する。
中フランジ50cは、端フランジ50bよりも大きく、且つ供給側外筒部材46の本体46aの内径よりも僅かに小さい外径を有しており、その内面は、熱媒体供給室43cを形成する壁部の一部である。
エア抜き部50dは、熱媒体供給室43aの内圧が上昇したときに、熱媒体供給室43aの内部を大気に開放する安全装置である。エア抜き部50dとしては、所定の内圧を検知して開口する開閉バルブであれば、特に限定されるものではなく、例えば、電磁弁や手動弁などの周知の弁が挙げられる。
また、このような供給側截頭錐体部51が供給側円筒部50と同軸上に配されるように、供給側截頭錐体部51の最小径部分の端部は、供給側円筒部50の本体50aの外周面の一端に接合され、供給側截頭錐体部51の最大径部分の端部は、供給側外覆部52の内側に接合されている。
このため、供給側截頭錐体部51内部は、供給側円筒部50の本体50a内部に連通する一方で、図1等に示す外筒41の汚泥流通部41aとも連通する。つまり、供給側截頭錐体部51のテーパ部分の内部は、供給側外覆部材43の汚泥流通部43dを構成している。これにより、その汚泥流通部41aを通過した混合汚泥は、供給側截頭錐体部51のテーパ部分の内側(供給側外覆部材43の汚泥流通部43d)および供給側円筒部50の本体50a(第一接続部材45aの汚泥流通部45b)内を経て、循環管2に移送される経路を辿る。その移送の際における圧力損失は、内径の異なる汚泥流通部41aと本体50aを連絡するテーパ部分を経由することで、低減される。
ここで、図6、図7および図10に示すように、供給側外覆部52に供給側外筒部材46が外挿されると、供給側内筒部材47の供給側円筒部50の本体50aおよび端フランジ50bは、供給側外筒部材46の本体46a内から突出する。このとき、図7および図10に示すように、供給側外筒部材46の本体46aは、供給側内筒部材47の供給側外覆部52と供給側円筒部50の中フランジ50cとの間を覆うため、供給側外筒部材46と供給側内筒部材47との間には、外筒41の内径よりも小さい最外径を有する略円環状の熱媒体供給室43aが形成される。熱媒体は、熱媒体供給管46cから熱媒体供給室43a内に供給され、熱交換部材42の連通穴42cおよび供給側截頭錐体部51の供給側連通穴43bを介して熱交換部材42に送られる経路を辿る。
なお、この実施の形態1における媒体供給室43cは、上述のように、供給側外筒部材46の本体46aの内周面と、供給側円筒部50の中フランジ50cの内面と、供給側截頭錐体部51の最小径部分およびテーパ部分とによって形成される。
本体48aは、外筒41の外径より小さい寸法の外径を有しており、その内周面は、排出側外筒部材48と排出側内筒部材49との連結時に、熱媒体排出室44cを形成する壁部の一部となる。
排出側端フランジ48bは、外筒41の外筒排出側端フランジ41cとフランジ継手を行うための接合部である。
熱媒体排出管48cは、熱媒体排出室44a内の熱媒体を熱媒体供給設備(図示せず)へ還流させる。なお、熱媒体の流れを変更するときは、熱媒体排出管48cは、熱媒体の供給を行う。この熱媒体の流路の切替えは、図5に示す流路切替器5により行われる。
本体53aは、循環管2からの混合汚泥を外筒41の汚泥流通部41a内に円滑に送るため、循環管2の口径と同一寸法の内径を有している。
端フランジ53bは、第二接続部材45cのように、循環管2とフランジ継手を行うための接合部である。このため、上記本体53aの内部は、実質的に、実施の形態1における第二接続部材45cの汚泥流通部45dを構成する。
中フランジ53cは、端フランジ53bよりも大きく、且つ排出側外筒部材48の本体48aの内径よりも僅かに小さい外径を有しており、その内面は、熱媒体排出室44cを形成する壁部の一部である。
また、このような排出側截頭錐体部54が排出側円筒部53と同軸上に配されるように、排出側截頭錐体部54の最小径部分の端部は、排出側円筒部53の本体53aの外周面の一端に接合され、排出側截頭錐体部54の最大径部分の端部は、排出側外覆部55の内側に接合されている。
このため、排出側截頭錐体部54内部は、排出側円筒部53の本体53a内部に連通する一方で、図1等に示す外筒41の汚泥流通部41aとも連通する。つまり、排出側截頭錐体部54のテーパ部分の内部は、排出側外覆部材44の汚泥流通部44dを構成している。これにより、循環管2を流れてきた混合汚泥は、排出側円筒部53の本体53a(第二接続部材45cの汚泥流通部45d)内および排出側截頭錐体部54のテーパ部分の内側(排出側外覆部材44の汚泥流通部44d)を経て、外筒41の汚泥流通部41a内に移送される経路を辿る。その移送の際における圧力損失は、内径の異なる本体53aと汚泥流通部41aを連絡するテーパ部分を経由することで、低減される。
ここで、図6、図7および図10に示すように、排出側外覆部55に排出側外筒部材48が外挿されると、排出側内筒部材49の排出側円筒部53の本体53aおよび端フランジ53bは、排出側外筒部材48の本体48a内から突出する。このとき、図7および図10に示すように、排出側外筒部材48の本体48aは、排出側内筒部材49の排出側外覆部55と排出側円筒部53の中フランジ53cとの間を覆うため、排出側外筒部材48と排出側内筒部材49との間には、外筒41の内径よりも小さい外径を有する略円環状の熱媒体排出室44aが形成される。熱媒体は、熱交換部材42の連通穴42cおよび排出側截頭錐体部54の排出側連通穴44bを介して、熱媒体排出室44a内に流れ込み、熱媒体排出管48cから排出される経路を辿る。
なお、この実施の形態1における媒体排出室44cは、上述のように、排出側外筒部材48の本体48aの内周面と、排出側円筒部53の中フランジ53cの内面と、排出側截頭錐体部54の最小径部分およびテーパ部分とによって形成される。
大型の熱交換部材42xおよび小型の熱交換部材42yは、いずれも共通して、排出側截頭錐体部54のテーパ部分の内周面に接し、且つ連通穴42cが形成された傾斜面と、この傾斜面に連続して形成され、且つ外筒41内の汚泥流通部41aの内周面に接する一側面とを有している。
大型の熱交換部材42xと小型の熱交換部材42yとの相異は、以下の点である。
一つ目は、幅寸法(外筒41の汚泥流通部41aの内周面からの長さ寸法)である。大型の熱交換部材42xの傾斜面が小型の熱交換部材42yの傾斜面よりも長くなっている。
二つ目は、連通穴42cの設置数である。大型の熱交換部材42xの長い傾斜面には、2つの連通穴42cが形成されているのに対し、小型の熱交換部材42yの短い傾斜面には、1つの連通穴42cが形成されている。小型の熱交換部材42yの連通穴42cの汚泥流通部41aの内周面からの距離は、大型の熱交換部材42xの2つの連通穴42cのうち、汚泥流通部41aの内周面側の連通穴42cと同一に設定されている。連通穴42cの設置数は、排出側截頭錐体部54のテーパ部分等によって形成される熱媒体排出室44c内に所定量の熱媒体を確実に送ることができるのであれば、特に限定されるものではない。
三つ目は、外筒41内の汚泥流通部41aの中心に向く一側面の形状である。図8に示すように、小型の熱交換部材42yの当該一側面は、その全体が外筒41の軸方向に沿って平面状に形成されているのに対し、大型の熱交換部材42xの当該一側面には、排出側円筒部53の本体53a側の近傍に曲面部42dが形成され、それ以外の部分は、外筒41の軸方向に沿って平面状に形成されている。この曲面部42dは、循環管2からの混合汚泥の流れを外筒41の汚泥流通部41a内に導く際に、その流れを円滑にし、乱流の発生を防止するために形成されている。
熱交換器4には、熱媒体供給設備(図示せず)から、熱媒体供給管46cを介して熱媒体(温水)が供給される。熱媒体の流れは、熱交換器4の外筒41の汚泥流通部41a内の汚泥流れに対向するように供給されることで高効率に熱交換が行われる(対向流式)。また、循環管2内を流れる混合汚泥の流れを変更する場合においても、流路切替器5で熱媒体の循環方向を切り替えることで、対向流式を常に維持することが可能である。
流路切替器5は、熱媒体供給設備(図示せず)と熱媒体供給管46cを連絡し、熱交換前の熱媒体(高温の温水)を供給する供給管Hと、この供給管Hに設けられた開閉バルブV2と、熱媒体供給設備(図示せず)と熱媒体排出管48cを連絡し、熱交換後の熱媒体(低温の温水)を排出する排出管Lと、この排出管Lに設けられた開閉バルブV3と、開閉バルブV2よりも熱媒体供給管46c側の供給管Hと開閉バルブV3よりも熱媒体供給設備(図示せず)側の排出管Lを連絡する分岐管BP1と、この分岐管BP1に設けられた開閉バルブV4と、開閉バルブV2よりも熱媒体供給設備(図示せず)側の供給管Hと開閉バルブV3よりも熱媒体排出管48c側の排出管Lを連絡する分岐管BP2と、この分岐管BP2に設けられた開閉バルブV1とから概略構成されている。
また、循環管2の吐出側部分のうち、熱交換器4と吐出口2aとの間には、開閉バルブV5が設けられ、熱交換器4と開閉バルブV5との間には、消化槽1内の中部において消化槽1の内周壁に沿って水平方向に開口する吐出口21aを有する分岐管21が設けられ、この分岐管21の途中には、開閉バルブV6が設けられている。
循環ポンプ3の吐出側が熱交換器4側となるように駆動器31を正転方向に駆動させる場合、開閉バルブV5を「開」とし、開閉バルブV6を「閉」とすることにより、吸引口2aから混合汚泥を吸引し、その吸引口2aに向けて上昇流を形成させ、その吸引口2aから吸引された混合汚泥を吐出口2bから吐出させ、その吐出された混合汚泥により消化槽1内の下部に上昇流を発生させることができる。逆に、開閉バルブV5を「閉」とし、開閉バルブV6を「開」とすることにより、吸引口2aから吸引された混合汚泥を分岐管21経由で吐出口21aから吐出させ、その吐出された混合汚泥により消化槽1の内周壁に沿って周回する水平流を発生させることができる。さらに、開閉バルブV5および開閉バルブV6の双方を「開」とすることにより、吸引口2aから吸引された混合汚泥を吐出口2bおよび吐出口21aの双方から吐出させ、吐出口2bからの混合汚泥により消化槽1内の下部に上昇流を発生させ、吐出口21aからの混合汚泥により消化槽1内の中部に水平流を発生させることができる。
このように駆動器31を正転方向に駆動させて、消化槽1内の混合汚泥を循環させる場合、流路切替器5により、開閉バルブV1およびV4を「閉」とし、開閉バルブV2およびV3を「開」とした状態で熱媒体を、混合汚泥が通過する熱交換器4内に循環させることで、混合汚泥を加温する。加温された混合汚泥が消化槽1内に吐出されることで、消化槽1内の混合汚泥が撹拌混合されると共に適温(例えば、メタン菌の至適温度)に管理される。
このように駆動器31を逆転方向に駆動させて、消化槽1内の混合汚泥を循環させる場合、
流路切替器5により熱媒体の流路を切り替えて、開閉バルブV1およびV4を「閉」とし、開閉バルブV2およびV3を「開」とした状態で熱媒体を、混合汚泥が通過する熱交換器4内に循環させることで、混合汚泥を加温する。加温された混合汚泥が消化槽1内に吐出されることで、消化槽1内の混合汚泥が撹拌混合されると共に適温(例えば、メタン菌の至適温度)に管理される。
また、この実施の形態2では、吐出口21aを消化槽1の水平方向に開口させた場合について本発明を適用したが、吐出口21aの開口方向は水平方向に限らず、消化槽1の形状や吐出口21aからの汚泥吐出量などを考慮して消化槽1内の汚泥が十分に混合撹拌される向きとすることが好ましい。
また、この実施の形態2では、循環管2に分岐管21を設けることで、実質的に、循環管2の吐出側部分(吐出管)を2つ設けた場合について本発明を適用したが、その吐出管を3以上設けてもよい。また、循環管2の吸引側部分(吸引管)を2つ以上設けてもよい。
(1)循環管2が、消化槽1内の上部で上方に向けて開口する吸引口2aと、消化槽1内の下部で下方に向けて開口する吐出口2bと、消化槽1内の中部で水平方向に向けて開口する分岐管21の吐出口21aを有する構成としたことにより、消化槽1内の上部の混合汚泥が吸引口2aから取り込まれ、熱交換器4で約0.5℃〜1℃の昇温幅で加温され、吐出口2bから吐出される場合には、消化槽1内に縦方向(垂直下方向)の流れを形成し、吐出口21aから吐出される場合には、消化槽1内に水平方向の流れを形成することができる。このような様々な流れを形成することができるので、消化槽1内の混合汚泥の撹拌混合や温度の管理を適切に行うことができる。このため、消化槽1内の混合汚泥中の温度分布ムラや薬品等の混合ムラを抑制できる。
(2)このように、循環ポンプ3によって勢いよく循環管2内を流れる混合汚泥をその流れの勢いを弱めることなく外筒41内を通過させて、複数の熱交換部材42xおよび42yとの接触で効率よく加温した上で、消化槽1内に勢いよく還流させ、消化槽1内の全体に行渡る循環流を形成することができるので、例えば、消化槽1の有効容積に対して1日当たり約4〜12回の循環量に相当する大流量の混合汚泥を熱交換器4内に流通させて循環させることができる。このため、原汚泥の投入量(負荷)が増大した場合でも、その原汚泥に対する嫌気性消化反応を確実に進行させることができる。
(3)熱交換器4に流路切替器5を併設した構成としたことにより、混合汚泥の流れの方向が変更されても、熱媒体を混合汚泥の流れに対して常に向流で流すことができ、熱交換の効率が良い対向流式を維持することができる。
図11は本発明の実施の形態3による嫌気性消化装置に用いられる熱交換器内の熱交換部材の配置構成を示す断面図であり、図12は図11に示した熱交換部材の連通穴の配置構成を熱媒体供給側から示す部分断面図であり、図1等と同一の構成要素には同一符号を付して重複説明を省略する。
中型の熱交換部材42zは、図11および図12に示すように、その幅寸法(外筒41の汚泥流通部41aの内周面からの長さ寸法)が大型の熱交換部材42xと小型の熱交換部材42yの中間の寸法を有している。また、小型の熱交換部材42yは、中型の熱交換部材42z間および大型の熱交換部材42xと中型の熱交換部材42zとの間に配設されている。このような3種類の熱交換部材42x、42yおよび42zの配置構成では、外筒41の汚泥流通部41a内の中心側の空間を主に大型の熱交換部材42xが占め、その間を主に小型の熱交換部材42yと中型の熱交換部材42zが占めるようになっている。これにより、汚泥流通部41a内に、ほぼ均等の間隔をもって熱交換部材42x、42yおよび42zを配設することが可能になるため、汚泥流れを必要以上に妨げず圧力損失の増加や汚泥・異物による閉塞の発生を防止することができる。
また、図12に示すように、中型の熱交換部材42zの両端には、大型の熱交換部材42xと同様の間隔で、2つの連通穴42cが形成され、汚泥流通部41aの内周面からの距離も同一に設定されている。なお、中型の熱交換部材42zには、大型の熱交換部材42xと同様に曲面部が形成されてもよい。
図13は本発明の実施の形態4による嫌気性消化装置の全体構成を模式的に示す部分断面図であり、図1等と同一の構成要素には同一符号を付して重複説明を省略する。
(1)略断面亀甲形の消化槽1の縦方向の長さ寸法が、実施の形態2における消化槽1よりも大きく設定され、縦長になっている点。
(2)消化槽1内にエアリフトポンプ13を設け、実施の形態2における、混合汚泥を圧送するタイプの循環ポンプ3を設けていない点。
これらドラフトチューブ9と分岐部材10と消化ガス循環管11と消化ガス循環器12とは、循環管2に設けられ、消化槽1内の混合汚泥を移送するエアリフトポンプ(循環ポンプ)13を構成している。
なお、消化ガス循環器12は、消化ガス(例えば、メタンガス)への引火を防止する防爆構造となっている。また、消化槽1には、原汚泥投入管、脱離液流出管および消化汚泥排出管が配設されているが、いずれも図示を省略している。
消化槽1内で嫌気性消化反応が進行すると、消化槽1内の上部の水面上に消化ガスが浮上する。その消化ガスは、消化ガス循環器12の作動により、消化ガス循環管11の消化ガス吸引口11aで吸引され、消化ガス循環器12を経て消化ガス循環管11の消化ガス吐出口11bからドラフトチューブ9内に吐出される。吐出された消化ガスは、その浮力によって、ドラフトチューブ9内を勢いよく上昇する。この消化ガスのエアリフト効果によって、消化槽1内の底部の混合汚泥がドラフトチューブ9の下部開口部9bから吸引され、ドラフトチューブ9を上昇する。分岐部材10まで揚水された混合汚泥は、そのままドラフトチューブ9の上部開放部9aから勢いよく溢れ、再びドラフトチューブ9を下降して循環流となる。
一方、分岐部材10まで揚水された混合汚泥のうち、分岐部材10の循環管接続部10bおよび吸引口2aから循環管2内に移行した混合汚泥は、熱交換器4の外筒41の汚泥流通部41aに導入され、約0.5℃〜1℃程度の昇温幅で加温される。加温された混合汚泥は、循環管2の吐出口2bから消化槽1内で水平方向に吐出され、ドラフトチューブ9の下部開口部9bから吸引されて消化槽1内で循環流となる。
実施例1と比較例1、実施例2と比較例2、および、実施例3と比較例3は、相互に比較対象である。各比較対象同士の消化槽の容量(m3)、消化槽内撹拌用の汚泥循環ポンプ(循環ポンプ3に相当)の撹拌機動力(kW)、熱交換器内の伝熱面積(m2)、および、熱交換器へ熱媒体を給排する温水循環ポンプの流速(m3/分)、機動力(kW)については、表1に示すように、同等のものを用いた。また、消化槽内撹拌用の汚泥循環ポンプ(循環ポンプ3に相当)を配設した循環管の口径についても、同等のものを用いた。
2 循環管, 2a 吸引口, 2b 吐出口,
21 分岐管, 21a 吐出口,
3 循環ポンプ, 30 スクリュー, 30a 回転軸, 30b 回転羽根,
31 駆動器,
4 熱交換器, 41 外筒,
41a 汚泥流通部, 41b 外筒排出側端フランジ,
41c 外筒供給側端フランジ,
42 熱交換部材,
42a 熱媒体流通部, 42b 伝熱部, 42c 連通穴,
42d 曲面部,
42x 大型の熱交換部材, 42y 小型の熱交換部材,
42z 中型の熱交換部材,
43 供給側外覆部材,
43a 熱媒体供給室, 43b 供給側連通穴, 43c 熱媒体供給口,
43d 汚泥流通部,
44 排出側外覆部材,
44a 熱媒体排出室, 44b 排出側連通穴, 44c 熱媒体排出口,
44d 汚泥流通部,
45a 第一接続部材, 45b 汚泥流通部,
45c 第二接続部材, 45d 汚泥流通部,
46 供給側外筒部材,
46a 本体, 46b 供給側端フランジ, 46c 熱媒体供給管,
47 供給側内筒部材, 48 排出側外筒部材,
48a 本体, 48b 排出側端フランジ, 48c 熱媒体排出管,
49 排出側内筒部材, 50 供給側円筒部,
50a 本体, 50b 端フランジ, 50c 中フランジ,
50d エア抜き部,
51 供給側截頭錐体部, 52 供給側外覆部,
53 排出側円筒部, 53a 本体, 53b 端フランジ,
53c 中フランジ,
54 排出側截頭錐体部, 55 排出側外覆部,
5 流路切替器,
H 供給管, L 排出管, BP1,BP2 分岐管,
6 原汚泥投入管, 7 脱離液流出管, 8 消化汚泥排出管,
9 ドラフトチューブ, 9a 上部開放部, 9b 下部開口部,
10 分岐部材,
10a ドラフトチューブ接続部, 10b 循環管接続部,
11 消化ガス循環管,
11a 消化ガス吸引口, 11b 消化ガス吐出口,
12 消化ガス循環器,
V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7 開閉バルブ,
13 エアリフトポンプ,
60 外筒パイプ型の熱交換器,
61 本体, 62 汚泥流入室, 62a 汚泥流入口,
63 汚泥流出室, 63a 汚泥流出口,
64 汚泥流路, 65 伝熱壁,
66 熱媒体流路, 66a 熱媒体供給口, 66b 熱媒体排出口,
70 スパイラル型の熱交換器,
71 円筒管, 72 伝熱壁,
73 汚泥流路, 73a 汚泥流入口, 73b 汚泥流出口,
74 熱媒体流路, 74a 熱媒体流入口, 74b 熱媒体流出口
Claims (8)
- 投入された原汚泥を嫌気性消化処理する嫌気性消化槽、
該嫌気性消化槽内で開口する吸引口と吐出口を有し、
前記嫌気性消化槽外に延在する循環管、
該循環管に設けられ、前記嫌気性消化槽内の混合汚泥を
移送する循環ポンプ、
および
前記循環管に設けられ、前記混合汚泥を加温する熱交換器、
を備えた嫌気性消化装置において、
前記熱交換器は、
混合汚泥が通過する外筒と、
該外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、
前記外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を
形成する供給側外覆部材と
を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体供給室とが連通している
ことを特徴とする嫌気性消化装置。 - 前記熱交換器は、
前記外筒の他端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室を
形成する排出側外覆部材を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体排出室とが連通している
ことを特徴とする請求項1に記載の嫌気性消化装置。 - 前記熱交換器に用いる熱媒体は、温水である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の嫌気性消化装置。 - 前記循環ポンプおよび前記熱交換器は、
前記嫌気性消化槽外に配設されている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の嫌気性消化装置。 - 前記循環管は、
垂直方向に開口する吸引口が設けられた1つまたは2つ以上の吸引管と、
水平方向に開口する吐出口が設けられた1つまたは2つ以上の吐出管と
を備えている
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の嫌気性消化装置。 - 汚泥が通過する外筒と、
該外筒内に複数設けられた中空の熱交換部材と、
前記外筒の一端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体供給室を
形成する供給側外覆部材と
を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体供給室とが連通している
ことを特徴とする熱交換器。 - 前記外筒の他端の周面を覆い、熱媒体を受け入れる熱媒体排出室を
形成する排出側外覆部材を備え、
前記熱交換部材と前記熱媒体排出室とが連通している
ことを特徴とする請求項6に記載の熱交換器。 - 熱媒体は、温水である
ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の熱交換器。
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